Determination of particle mean free path Beta decay in the particulate material

Толық мәтін

Введение. Основным материалом при изготовлении защитных экранов (ЗЭ) от ионизирующих излучений (ИИ) приборов и прецизионных устройств в космической технике является алюминий [1]. Его основные достоинства - это малый вес, высокая пластичность, хорошие экранирующие свойства, невысокая цена и др. [2]. На практике, элементы или целиком блоки, чувствительные к ИИ, заключают в оболочку из алюминия толщиной от 0,1 до 1 см. Эффективность этих экранов начинает резко снижаться при толщинах свыше 1 см, так как при взаимодействии заряженных частиц с ядрами материала экрана возникает интенсивное электромагнитное тормозное излучение, обладающее высокой проникающей способностью [3]. Увеличение массы ЗЭ приводит и к увеличению стоимости вывода спутников на орбиту на 25-50 % [4; 5]. Но, с другой стороны, увеличение срока активного существования спутника требует применения экранов для уменьшения накопленной дозы в элементах устройств. Данная проблема характеризуется двойственным подходом. Материал защитного экрана должен быть по защитным свойствам более эффективным, чем алюминиевый, при одинаковой плотности или при одинаковом экранировании обладать меньшей плотностью. Решение такой задачи находится в области конструкции экрана, потому что взаимодействие ИИ с веществом довольно хорошо изучено и для гомогенных материалов не представляет особой трудности [6; 7]. Но получить требуемые свойства возможно только с применением гетерогенных структур, расчетные формулы для которых имеют большую погрешность (до 40 %), и область их применения ограничена как выбором элементного состава, так и спектральными характеристиками излучения [8; 9]. Одним из основных параметров материала при проектировании конструкций защитных экранов от β-излучения является длина свободного пробега (ДСП) электронов [10; 11]. Погрешность расчета ДСП по эмпирическим формулам может достигать 30 % в зависимости от сложности химического состава исследуемого материала [12]. Для увеличения точности в расчетах при выборе материалов экрана была разработана методика, так как обычным прессованием не удавалось получить образцы требуемой толщины и прочности. За основу была взята методика, используемая в ГОСТ 13610-79 при подготовке образцов сердечников стержневой формы для проведения магнитных испытаний [13]. В ней порошковый материал обрабатывается лаком с последующей сушкой, просеиванием, брикетированием под давлением и полимеризацией лака в печи. Методика эксперимента и оборудование. Отработка технологии изготовления образцов проводилась на порошке ПТ НА 01, содержащем 95 % никеля и остальное - алюминий. Выбор порошка обусловлен возможностью точного расчета его ДСП по формулам для последующего сравнения с измеренным. Морфологические исследования проводились на микроскопе фирмы JANEVERT. Определение фракционного состава проводилось с помощью набора сит. Взвешивание материалов проводилось на весах ВЛА-200М с точностью до 0,01 г. В качестве связующего выбран лак МЛ92, широко использующийся в промышленности и допущенный к применению в космических аппаратах. Процентное содержание лака в образце определялось экспериментально. Изготовлены три серии образцов с содержанием лака 2, 3 и 4 % в пересчете на сухой остаток лака, который при полимеризации теряет 50 % массы. Брикетирование проводилось на прессе ИП-1000, оборудованном измерительными системами скорости нагружения и предельного давления. Зависимость плотности упаковки от величины нагрузки при прессовании брикетов исследовалась при значениях давления 4, 6, 8 т/см2 (392, 588, 784 Мн/м2). Плотность образцов определялась методом гидростатического взвешивания [14]. Для сушки образцов применялся вакуумный сушильный шкаф ВШ-0,035А, температура контролировалась хромель-алюмелевой термопарой (тип К). Измерения ослабляющей способности материалов к ионизирующим излучениям проводилось на разработанной и изготовленной установке экспресс-контроля. В качестве датчика импульсов использовался счетчик Гейгера-Мюллера СБТ-9. Счетчик СБТ-9 имеет тонкое слюдяное «окно», которое делает его чувствительным не только к γ- и жесткому β-излучению (оно воспринимается через тонкостенный металлический корпус-катод), но и к мягкому β- и даже α-излучению. Установка оборудована счетчиком импульсов СТ6-2Р и пересчетным прибором ПС-20, имеющими разную чувствительность при большой скважности, что необходимо при исследовании тонких образцов. В качестве источника бета-излучения использовалось излучение изотопа SrY. Результаты и обсуждение. Морфологические исследования показали, что частицы порошка ПТ НА 01 имеют неправильную осколочную форму, слипания частиц в конгломераты не наблюдается (рис. 1). Рис. 1. Форма частиц порошка ×64 Просеивание порошка через сита с разными ячейками определило, что он в основном состоит из частиц с размером от 40 до 80 мкм (табл. 1). Таблица 1 Фракционный состав порошка Содержание, % Величина фракции, мкм 8,8 > 80 87,1 < 80; > 40 4,1 < 40 Образцы с содержанием лака 2 % после спекания не имели достаточной прочности, при легком надавливании разрушались. Также отбракованы и образцы с 4 % лака; частицы после сушки слипались, их невозможно было разделить в ступке и просеять. Лучшей оказалась комбинация с 3%-ным содержанием лака. Тонкие образцы, изготовленные при прессовании 4 т/см2, отбраковывались из-за низких прочностных характеристик, и в дальнейшем все образцы, прессованные при данных условиях, не исследовались. Плотность образцов при прессовании с давлением 6 т/см2 составляет ≈ 65 %, что определялось гидростатическим взвешиванием, по плотности на рис. 2 и получено по расчету через объем и массу. Образцы, изготовленные при большем давлении, имели такую же плотность, это можно объяснить малым содержанием фракции (меньше 40 мкм) в составе порошка (табл. 1). Чтобы оценить вклад связующего, были изготовлены образцы из лака. Измерения показали, что коэффициент ослабления не превышает 1,26 ± 3 % для толщины образца 0,08 см с плотностью 1,07-1,18 г/см3. Результаты исследований серии образцов представлены в табл. 2. Погрешности измерений интенсивности, геометрические и весовые погрешности не превышают 6, 1 и 1 % соответственно. Интенсивность источника - 2,7Е+05 имп/с. При данных измерениях вкладом связующего можно пренебречь, так как его содержание не превышает 3 %. В результате исследования зависимости интенсивности от толщины было получено значение экстраполированного пробега электронов [15] в материале образцов (0,21 ± 0,04) см, что принадлежит области доверительного интервала значения рассчитанного [16] пробега 0,14 см с учетом коэффициента заполнения, равного 0,65, с точностью до 15 % . С целью увеличения коэффициента заполнения и уменьшения толщины лака на частицах рассмотрено влияние вязкости лака на плотность. Расстояния между частицами у образцов с лаком, разведенным 1:1 по массе с этиловым спиртом, заметно меньше (рис. 2). Таблица 2 Результаты измерений № образца 1 2 3 4 5 6 5* 7 8 7* 9 10 Толщина, см 0,05 0,06 0,08 0,09 0,10 0,14 0,15 0,16 0,18 0,17 0,22 0,24 Вес, г 0,51 0,67 0,90 1,04 1,31 1,54 1,66 1,94 2,04 2,17 2,60 2,88 Интенсивность, имп/с 1,6E+05 1,2E+05 6,5E+04 3,5E+04 1,4E+04 2,6E+03 1,2E+03 9,1E+02 6,5E+02 6,0E+02 3,5E+02 3,6E+02 Коэффициент ослабления 1,74 2,40 4,41 8,21 20,7 112 230 314 442 477 825 896 * Серия при нагрузке прессования 8 т/см2. а б Рис. 2. Фото шлифов образцов с различной вязкостью лака ×128: а - в состоянии поставки; б - разведённый 1:1 Коэффициент заполнения у этих образцов достиг 0,88, а длина экстраполированного свободного пробега (0,16 ± 0,02) см. Точность определения ДСП не превышает 10 % в данном материале. Проведенные исследования показали, что предложенную методику возможно использовать для изучения порошковых материалов, входящих в состав композиционных защитных конструкций. Заключение. 1. Определены необходимые условия для изготовления образцов. Количество связующего не должно превышать 3 % по массе в пересчете на сухой остаток лака. Оптимальное давление прессования для фракционного состава 40-80 мкм составляет 6 т/см2. 2. Увеличение коэффициента заполнения возможно за счет уменьшения вязкости лака МЛ92 путём его смешивания с этиловым спиртом в соотношении 1:1, что подтверждается фотографиями шлифов (рис. 2) и определением плотности. 3. Измерения показали, что вкладом связующего для данных измерений можно пренебречь, так как его коэффициент ослабления не превышает 1,26 ± 3 % для толщины образца 0,08 см с плотностью 1,07-1,18 г/см3, и его общая доля по массе не превышает 3 %. 4. Предложенную методику возможно использовать для экспериментального определения длины свободного пробега электронов в порошковых материалах с погрешностью, не превышающей 10 %.

Авторлар туралы

S. Telegin

Reshetnev Siberian State Aerospace University

Email: telegin@sibsau.ru
31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

V. Saunin

Reshetnev Siberian State Aerospace University

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

E. Chesnokov

Reshetnev Siberian State Aerospace University

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар